선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 염수를 이용한 방전과정에서 휴대폰 배터리의 방전 특성을 알아보고, 배터리를 염수에서 방전시킬 때 우려되는 화재 위험성을 분석하여 휴대폰 배터리인 리튬-이온 배터리의 염수 내 방전 시 화재 발생 가능성을 확인하고자 하였다. 이런 연구 목적을 달성하기 위하여 염수농도와 배터리를 중첩시킨 개수 등을 변화시키는 다양한 조건에서 실험을 수행하였으며, 각 조건에서의 방전전압 및 배터리의 발열온도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 휴대폰 배터리로 많이 사용되는 리튬-이온 배터리를 염수농도에 따른 방전특성과 염수 내 방전 시 발생하는 배터리의 발열온도에 관한 실험을 수행하여 방전 과정에서 발생할 수 있는 화재 위험성을 밝히고자 하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 이러한 경우 염수 내에서 많은 배터리들은 겹쳐진 상태로 방전이 이루어진다. 이런 과정에서 열의 축적이 발생하고 발화로 이어질 가능성을 예측하기 위하여 배터리의 중첩유무가 발열온도에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위한 실험을 진행하였다. 실험은 배터리 폐기 시 많이 사용되는 농도인 5 wt% 염수가 담긴 철제용기 내에 1개의 배터리와 배터리 3개를 중첩시켜 각각 넣은 후 시간경과에 따른 발열온도를 측정 비교 하였다.
- 염수농도 5 wt%에 침수시켜 방전전압 측정실험을 하였고, Figure 5와 같이, 배터리 2개를 같은 모양으로 포개어 실험을 진행하였다. 중첩된 배터리를 위, 아래로 구분해서 측정하여 중첩된 위치에 따라 방전전압의 차이가 발생하는지 알아보고자 하였다. 측정 결과 값은 Table 2와 같다.
제안 방법
- Figure 3과 같이 농도가 다른 염수에 배터리 6개를 A~F로 구분하여 침수시켜 염수농도에 따른 배터리의 방전전압의 차이를 비교하였다. 동일 제조업체의 배터리라 하더라도 제조과정 등에서 발생할 수 있는 배터리마다 다른 자체적 특성이 방전전압 결과에 영향을 줄 수 있는 가능성이 있어, 같은 농도에 배터리를 2개씩 침수시켜 실험을 진행하였고, 측정된 방전전압 결과를 Figure 4에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 실험재료는 많은 전자기기에 사용되고 있는 리튬-이온 배터리 중 삼성 휴대폰에 사용되는 배터리를 대상으로 실험하였다. 또한 실험은 KS 표준안 KS C IEC-62133-2 (리튬 시스템)의 규격에 의거하여 제조 연월 6개월 이하의 제품을 사용하였고, 제조 연월이 같은 스마트폰용 리튬-이온 배터리로 진행하여 제조 연월의 차이에서 비롯될 수 있는 실험 오차를 최소화 하였다. 본 연구의 실험 재료로 사용된 배터리의 사진과 사양을 Figure 1과 Table 1에 각각 나타내었다.
- 염수농도가 다른 3가지 조건에서 시간 경과에 따른 배터리의 방전전압을 측정하기 위해 디지털 전압측정기를 사용하였으며, 배터리의 표면온도는 열화상 카메라를 이용하여 측정하였다. 또한, 염도측정기를 이용하여 염수의 농도(wt%)를 조절하였으며, 염화나트륨(99.5%)을 물과 혼합하여 염수를 만들었다.
- 철제용기에 염수를 붓고, 전압측정기로 충전된 배터리의 초기전압을 침수시키기 전에 측정 하였고, 염수에 방전 중인 배터리를 30분마다 꺼내어 전압 측정하였다. 발열온도 측정실험은 각각의 염수농도에 배터리를 침수시킨 후 배터리를 꺼내지 않고 지속적인 방전 과정에서의 발열 반응을 관찰하였다. 배터리는 정상적인 배터리와 배터리의 상부 커버, PCM보호회로를 제거한 배터리 두 가지 조건으로 실험을 진행하였다, Figure 2는 염도측정기를 이용하여 염수농도를 조절하는 과정이다.
- 이런 과정에서 열의 축적이 발생하고 발화로 이어질 가능성을 예측하기 위하여 배터리의 중첩유무가 발열온도에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위한 실험을 진행하였다. 실험은 배터리 폐기 시 많이 사용되는 농도인 5 wt% 염수가 담긴 철제용기 내에 1개의 배터리와 배터리 3개를 중첩시켜 각각 넣은 후 시간경과에 따른 발열온도를 측정 비교 하였다. 측정 결과는 Figure 8과 Table 3 및 Table 4에 나타내었고, 결과를 살펴보면, 배터리 3개를 중첩시켰을 때의 발열온도가 1개의 배터리보다 더 높게 측정되었다.
- 염수 내에서 휴대폰 배터리의 방전전압 변화와 발열온도를 측정하기 위하여 리튬-이온 배터리, 디지털 전압측정기(Digital volt meter), 열화상 카메라(Thermal imaging camera), 염도측정기(Salinity measurement instrument), 염화나트륨(Sodium chloride) 등을 활용하였다. 염수농도가 다른 3가지 조건에서 시간 경과에 따른 배터리의 방전전압을 측정하기 위해 디지털 전압측정기를 사용하였으며, 배터리의 표면온도는 열화상 카메라를 이용하여 측정하였다.
- 중첩에 따른 방전전압 측정 실험(배터리는 상단 커버, PCM보호회로를 제거)은 배터리 1개와 중첩된 배터리 2개를 비교한 실험을 진행하였다. 염수농도 5 wt%에 침수시켜 방전전압 측정실험을 하였고, Figure 5와 같이, 배터리 2개를 같은 모양으로 포개어 실험을 진행하였다. 중첩된 배터리를 위, 아래로 구분해서 측정하여 중첩된 위치에 따라 방전전압의 차이가 발생하는지 알아보고자 하였다.
- 염수 내에서 휴대폰 배터리의 방전전압 변화와 발열온도를 측정하기 위하여 리튬-이온 배터리, 디지털 전압측정기(Digital volt meter), 열화상 카메라(Thermal imaging camera), 염도측정기(Salinity measurement instrument), 염화나트륨(Sodium chloride) 등을 활용하였다. 염수농도가 다른 3가지 조건에서 시간 경과에 따른 배터리의 방전전압을 측정하기 위해 디지털 전압측정기를 사용하였으며, 배터리의 표면온도는 열화상 카메라를 이용하여 측정하였다. 또한, 염도측정기를 이용하여 염수의 농도(wt%)를 조절하였으며, 염화나트륨(99.
- 본 연구에서는 염수를 이용한 방전과정에서 휴대폰 배터리의 방전 특성을 알아보고, 배터리를 염수에서 방전시킬 때 우려되는 화재 위험성을 분석하여 휴대폰 배터리인 리튬-이온 배터리의 염수 내 방전 시 화재 발생 가능성을 확인하고자 하였다. 이런 연구 목적을 달성하기 위하여 염수농도와 배터리를 중첩시킨 개수 등을 변화시키는 다양한 조건에서 실험을 수행하였으며, 각 조건에서의 방전전압 및 배터리의 발열온도를 측정하였다. 그 결과로, 염수농도 변화에 따른 배터리의 방전특성과 발열온도를 비교하여 화재 위험 가능성을 확인하였다.
- 중첩에 따른 방전전압 측정 실험(배터리는 상단 커버, PCM보호회로를 제거)은 배터리 1개와 중첩된 배터리 2개를 비교한 실험을 진행하였다. 염수농도 5 wt%에 침수시켜 방전전압 측정실험을 하였고, Figure 5와 같이, 배터리 2개를 같은 모양으로 포개어 실험을 진행하였다.
- 먼저, 500 ml의 플라스틱 용기에 물을 채운 다음, 염화나트륨을 넣어 녹인 후 염도측정기로 측정하여 염수를 준비하였다. 철제용기에 염수를 붓고, 전압측정기로 충전된 배터리의 초기전압을 침수시키기 전에 측정 하였고, 염수에 방전 중인 배터리를 30분마다 꺼내어 전압 측정하였다. 발열온도 측정실험은 각각의 염수농도에 배터리를 침수시킨 후 배터리를 꺼내지 않고 지속적인 방전 과정에서의 발열 반응을 관찰하였다.
- Figure 6의 (a)는 완전충전을 시킨 정상적인 배터리이며, (b)는 완전충전 후 단자 부분의 상단 커버와 PCM보호회로를 제거하여 훼손을 가정한 배터리이다. 총 6개의 배터리를 사용하여 정상적인 배터리(A, B, C)와 훼손된 배터리(D, E, F)로 나누어 염수농도 5 wt%, 10 wt%, 15 wt%에 침수시켜 열화상카메라로 시간 경과에 따른 발열온도를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 폐기 작업 시 많이 사용되는 염수농도 5 wt%와 더 높은 농도인 10 wt%, 15 wt%의 염수로 실험을 진행하였다. 먼저, 500 ml의 플라스틱 용기에 물을 채운 다음, 염화나트륨을 넣어 녹인 후 염도측정기로 측정하여 염수를 준비하였다.
- 본 연구에 사용된 실험재료는 많은 전자기기에 사용되고 있는 리튬-이온 배터리 중 삼성 휴대폰에 사용되는 배터리를 대상으로 실험하였다. 또한 실험은 KS 표준안 KS C IEC-62133-2 (리튬 시스템)의 규격에 의거하여 제조 연월 6개월 이하의 제품을 사용하였고, 제조 연월이 같은 스마트폰용 리튬-이온 배터리로 진행하여 제조 연월의 차이에서 비롯될 수 있는 실험 오차를 최소화 하였다.
성능/효과
- 6 ℃정도 중첩된 3개 배터리에서 더 높은 발열온도가 발생하는 것을 알 수 있었다. 1개 배터리의 발열온도보다 중첩된 3개의 배터리의 발열온도가 높은 이유는 배터리 1개일 때보다 겹겹이 쌓여 중첩된 배터리에서 발생하는 열이 주위로 확산되는 시간이 더 지연된 것으로 예상되며, 발열 부위가 맞닿아 있어 열을 축적하는 것이 용이할 것이라고 판단된다. 이번 실험으로 염수 내에 중첩되어 침수된 배터리는 방전특성에 있어서는 중첩의 영향이 별로 없으나, 발열온도에 있어서는 열을 축적시키는 효과가 있음을 확인하였으며, 이것은 대량의 배터리가 사방으로 중첩되어 있는 조건이 된다면 발화 가능성도 있다고 예측할 수 있다.
- 같은 농도의 염수에 침수시킨 배터리 2개의 방전전압은 배터리의 자체 특성에 의해 완전하게 일치하지는 않았지만, 시간에 따른 방전 경향은 유사하다는 것을 알 수 있으며, 염수농도가 높을수록 더 급속하게 방전이 되는 것을 확인할 수 있다. 본 실험을 통하여 배터리는 염수농도가 높을 수록 방전이 더 잘 진행되는 것을 알 수 있다.
- 이런 연구 목적을 달성하기 위하여 염수농도와 배터리를 중첩시킨 개수 등을 변화시키는 다양한 조건에서 실험을 수행하였으며, 각 조건에서의 방전전압 및 배터리의 발열온도를 측정하였다. 그 결과로, 염수농도 변화에 따른 배터리의 방전특성과 발열온도를 비교하여 화재 위험 가능성을 확인하였다.
- 둘째, 염수에 침수된 중첩된 배터리와 중첩되지 않은 배터리의 방전전압의 차이는 없었다. 따라서 염수를 활용하여 배터리를 방전 시킬 시, 염수에 충분히 배터리를 침수시키는 것이 중요하다.
- 측정 결과 값은 Table 2와 같다. 배터리 중첩에 따른 방전전압 측정 결과를 살펴보면, 실험 진행 중 중첩된 배터리와 중첩되지 않은 1개의 배터리의 방전전압의 차이가 가장 큰 시간대는 210분에 측정되었다. 중첩된 배터리 중 위에 위치한 배터리가 전압이 가장 느리게 방전됐고, 배터리 1개의 전압이 가장 빨리 방전되었지만, 중첩된 배터리 두 개의 가장 큰 방전전압 차이의 값은 0.
- 같은 농도의 염수에 침수시킨 배터리 2개의 방전전압은 배터리의 자체 특성에 의해 완전하게 일치하지는 않았지만, 시간에 따른 방전 경향은 유사하다는 것을 알 수 있으며, 염수농도가 높을수록 더 급속하게 방전이 되는 것을 확인할 수 있다. 본 실험을 통하여 배터리는 염수농도가 높을 수록 방전이 더 잘 진행되는 것을 알 수 있다.
- 셋째, 배터리 1개를 염수에서 방전시킬 때에 비해 배터리를 중첩시켜 방전시킬 때 더 높은 발열이 발생하는 것을 확인하였다. 연구비의 한계로 인하여 수백 개, 수천 개의 배터리를 염수에 한꺼번에 폐기 시키는 제조업체와 같은 조건의 실험을 진행하지 못하였지만, 다량의 배터리가 중첩되어 방전되는 상황에서는 열의 축적으로 발열이 크게 발생하여 발화될 위험성이 내포되어 있음을 예측할 수 있었다.
- 셋째, 배터리 1개를 염수에서 방전시킬 때에 비해 배터리를 중첩시켜 방전시킬 때 더 높은 발열이 발생하는 것을 확인하였다. 연구비의 한계로 인하여 수백 개, 수천 개의 배터리를 염수에 한꺼번에 폐기 시키는 제조업체와 같은 조건의 실험을 진행하지 못하였지만, 다량의 배터리가 중첩되어 방전되는 상황에서는 열의 축적으로 발열이 크게 발생하여 발화될 위험성이 내포되어 있음을 예측할 수 있었다.
- 염수 내 방전 중인 배터리의 발열온도 실험을 통하여 염수에 침수된 휴대폰 배터리는 (+),(-) 전극에서 발열이 가장 높게 발생하는 것을 알 수 있었다. Figure 9는 염수 내에서 방전 중인 배터리를 열화상 카메라로 측정한 사진이다.
- 배터리의 최대 발열 부분은 (+),(-) 전극 측에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 염수농도 변화와 중첩유무 조건에서 배터리의 최대 발열 부분인 (+),(-) 전극과 배터리의 가장 낮은 발열 부분과의 온도는 10 ℃ 이상 차이가 나는 것을 관찰할 수 있었다.
- 7 ℃까지 증가하였다. 이 시점에 1개 배터리와 중첩된 3개 배터리의 발열온도 차이가 약 7 ℃ 정도로 가장 크게 나타났으며, 평균 발열온도 차이도 약 2.6 ℃정도 중첩된 3개 배터리에서 더 높은 발열온도가 발생하는 것을 알 수 있었다. 1개 배터리의 발열온도보다 중첩된 3개의 배터리의 발열온도가 높은 이유는 배터리 1개일 때보다 겹겹이 쌓여 중첩된 배터리에서 발생하는 열이 주위로 확산되는 시간이 더 지연된 것으로 예상되며, 발열 부위가 맞닿아 있어 열을 축적하는 것이 용이할 것이라고 판단된다.
- 1 실험에서의 농도 wt% 염수에 침수된 중첩되지 않은 A, B의 배터리의 전압 차이가 더 큰 것으로 보아, 배터리의 방전은 중첩으로 인한 영향이 없는 것으로 판단된다. 이 실험에서는 전압 측정이 210분까지 가능했으며, 용융 현상과 (+),(-) 전극의 부식으로 인해 전압 측정이 불가능하였다.
- 1개 배터리의 발열온도보다 중첩된 3개의 배터리의 발열온도가 높은 이유는 배터리 1개일 때보다 겹겹이 쌓여 중첩된 배터리에서 발생하는 열이 주위로 확산되는 시간이 더 지연된 것으로 예상되며, 발열 부위가 맞닿아 있어 열을 축적하는 것이 용이할 것이라고 판단된다. 이번 실험으로 염수 내에 중첩되어 침수된 배터리는 방전특성에 있어서는 중첩의 영향이 별로 없으나, 발열온도에 있어서는 열을 축적시키는 효과가 있음을 확인하였으며, 이것은 대량의 배터리가 사방으로 중첩되어 있는 조건이 된다면 발화 가능성도 있다고 예측할 수 있다.
- 7 ℃까지 상승하여 초기온도보다 약 15 ℃ 이상 온도가 상승했다. 이번 실험으로 정상적인 배터리에서 발열이 발생되지 않는 것에 비해 훼손된 배터리는 발열이 크게 발생하고 시간이 경과하면서 배터리 전극에 용융 현상이 발생하는 것을 알 수 있었다.
- 도체에 전류가 흐르게 될 때, 발생하는 열인 줄열에 대해 발견한 법칙이다. 전류가 흐르면 열이 발생한다는 것에 주목하여 저항을 통과하는 전류가 발생시키는 열은 흘려준 전류의 제곱에 비례한다는 법칙을 발견하였다. 줄의 법칙(Joule’s law) 공식은 다음 식(1)과 같이 정의된다.
- 배터리 중첩에 따른 방전전압 측정 결과를 살펴보면, 실험 진행 중 중첩된 배터리와 중첩되지 않은 1개의 배터리의 방전전압의 차이가 가장 큰 시간대는 210분에 측정되었다. 중첩된 배터리 중 위에 위치한 배터리가 전압이 가장 느리게 방전됐고, 배터리 1개의 전압이 가장 빨리 방전되었지만, 중첩된 배터리 두 개의 가장 큰 방전전압 차이의 값은 0.168 V였다. 앞서 진행했던 염수 농도에 따른 배터리의 방전전압 측정실험(4.
- 첫째, 염수를 활용한 리튬-이온 배터리 방전 시 염수농도가 높을수록 배터리의 방전 폭이 커져 완전방전에 도달하는 시간이 짧아진다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.